選擇性激光燒結快速成型制件翹曲變形的研究

王 維 王興良 佟 明 楊 光 欽蘭云

（①沈陽航空工業學院機電工程學院，遼寧 沈陽 110136；②中科院沈陽自動化研究所，遼寧 沈陽 110016）

選擇性激光燒結快速成型制件翹曲變形的研究

王 維①王興良①佟 明①楊 光②欽蘭云①

（①沈陽航空工業學院機電工程學院，遼寧 沈陽 110136；②中科院沈陽自動化研究所，遼寧 沈陽 110016）

針對翹曲變形對選擇性激光燒結（SLS）成形精度的影響很大的問題，通過在HRPS-ⅢA型成型機上進行快速成型試驗，找出產生翹曲變形的根本原因，得到了激光掃描速度和激光功率、粉末預熱溫度等工藝參數對翹曲變形的影響規律，并研究了減小翹曲變形的有效措施。

選擇性激光燒結 翹曲變形 預熱溫度

選擇性激光燒結（Selective Laser Sintering，SLS）工藝是快速成型技術采用紅外激光作為熱源來燒結粉末材料，使包覆于粉末材料外的固體粘結劑或粉末材料本身熔融實現材料的粘結。成型精度是快速成型技術在應用中的關鍵問題之一。翹曲變形對成型精度的影響最大，造成很大的尺寸、形位誤差，甚至導致加工無法進行，所以制件翹曲變形是快速成型技術研究的重點。對于激光參數如激光功率、掃描間距、掃描速度和鋪粉參數如層厚對燒結件強度及翹曲變形的影響，已有較多研究[2，3]，但對于預熱溫度對翹曲變形影響的研究較少，本文還就預熱溫度對翹曲變形的影響做了分析研究。

1 翹曲變形產生的根本原因

1.1 燒結層收縮的原因

影響翹曲變形的根本原因有高分子材料的狀態變化引起的收縮，高分子材料受溫度變化的影響體積變化很明顯[4]。高分子材料在從粘流態冷卻到玻璃態轉變溫度這一過程中，體積有非常明顯的縮小，并且由此在其內部造成收縮應力的出現。收縮的程度越大，收縮應力的值也越大。SLS加工是一個溫度瞬間變化很大的激光燒結過程，燒結層要經歷一個從高溫膨脹到低溫收縮的過程，同時在這一過程中燒結層內蘊含了較大的收縮應力。

另外，由于SLS粉末材料的粉體形狀很不規則，這就造成粉末顆粒之間存有一定的間隙。例如，若粉末全為均勻的球體，在壓實狀態下粉末的間隙空間會占總體積的50%左右，只有當粉末全為方體時才可能達到全密度。但是在實際中這是不可能的，而由燒結層疊加起來的成型件的密度卻高達全密度的95%以上。所以，在SLS燒結過程中，由于密度的增加，制件必然會產生收縮。這種由粉末密度的變化導致的制件收縮可稱為密度收縮。

1.2 不均勻收縮造成燒結層的翹曲變形

燒結層的不均勻收縮造成翹曲變形。收縮是粉末材料SLS成型加工中的固有屬性，在燒結過程中各層均產生收縮。理論上講，如果這種收縮在各個方向是均勻進行的那么各燒結層不會產生較大的翹曲變形，但實際上，各燒結層在各個區域所產生的收縮差別很大[5]。這主要是由以下原因造成的：第一，燒結層上、下部分受熱不均勻。在SLS加工中激光的能量呈高斯分布，如圖1所示，沿著垂直粉末方向（Z軸方向）射入的激光束其能量是沿著Z軸對稱分布的，并且激光束光斑中心（Z軸與粉末的交點）的激光能量最強，由此點向外擴散，粉末所接受的能量呈螺旋線的方式遞減。因此，在光斑范圍內，不同位置接受的激光能量不同，并且粉層的下部分獲得的能量比上部分獲得的能量要少得多。這種上、下部分獲得能量的不均勻造成粉層上、下部分升溫的不均勻從而造成燒結層產生很大的升溫，這就直接導致了燒結層上、下部分不均勻收縮的產生；第二，燒結層四周的翹曲變形。燒結層的四周直接與溫度最低的松散粉末接觸，因此這部分在燒結過程中溫度變化最劇烈，從而加劇了收縮；第三，一旦燒結層出現了翹曲變形，后續的鋪粉過程就會在一定程度上加劇這種變形。因為一旦燒結層的邊角上翹，再鋪粉時就會有粉末鉆入到燒結層的底部，這樣也會加劇燒結層的翹曲變形。

2 影響制件翹曲變形的因素

2.1 激光掃描速度和激光功率的影響

激光掃描速度是決定能量密度的重要因素之一，它決定了激光能量對粉末的加熱時間[6]。在激光功率相同的情況下，掃描速度越高，激光對粉末的加熱時間越短，傳輸的熱量越少，粉層上、下部分的溫差越小，制件的翹曲變形也越小。但是，當激光功率一定時，掃描速度太快粉末的燒結時間短，不能保證粉末層燒透，也會形成分層缺陷，影響成型質量?？梢?，在加工具體的制件時，存在一個獲得最佳成型質量還是獲得最小的翹曲變形的選擇問題，這在實際加工中必須予以重視。實驗表明，1.8 m/s的激光掃描速度獲得的制件的綜合性能較好。

同樣，激光功率降低，能量密度減少，激光對粉末傳輸的熱量減少，粉層上、下部分的溫差減小，制件的翹曲變形變小。當然，激光功率太小輸入的能量太小，和激光掃描速度一樣，會導致層與層之間燒結不透，產生分層，使得制件強度降低或根本不能成型。實驗表明，20 W（40%）的激光功率是比較合適的加工參數。

2.2 粉末預熱溫度對翹曲變形的影響

粉床表面各點溫度主要由兩個方面決定，一是各點所接受的預熱熱能，二是各點的散熱條件[7]。SLS成型機的預熱方式一般采用輻射預熱。輻射預熱可以與激光加工同時進行，而且易于控制。

預熱溫度應該盡量接近所允許的最大限度，即粉末的結塊溫度。預熱溫度的高低對制件的成型精度有很大的影響。燒結溫度過低，不僅燒結無法完成，而且給后處理的清粉過程造成很大的不便。適當升高預熱溫度，可以提高制件的強度，使燒結過程得以順利進行。但是溫度過高，會造成燒結粉末和周圍粉末的溫度梯度，而引起制件的翹曲變形。

2.3 分層加工厚度對翹曲變形的影響

隨著切片厚度變小，激光燒結的深度越來越高。激光能量密度過大，粉層上、下部分的溫差變大，層與層之間很容易產生翹曲變形。切片厚度太薄時影響比較顯著，一般情況下影響沒有上面幾個參數顯著。但是，切片厚度越小，制件精度越高、表面粗糙度值越小，當然，制件燒結所需時間也越長。實際燒結中，常取切片厚度為0.15 mm。

3 改善制件翹曲變形的措施

3.1 選取適當的預熱溫度

在SLS成型過程中，預熱是一個重要的環節，沒有預熱或者預熱溫度不均勻，會使成型時間增加，成型件的性能降低和精度變差，甚至燒結過程完全不能進行。合理地選擇預熱溫度會使成型時間減少、制件的性能提高，同時減少翹曲變形，提高成型精度。一般來說，預熱溫度在材料溶融溫度以下2～3℃，精度在±1℃。采取長時間較高的預熱溫度，就可以升高分層整體的溫度，有效地減小了燒結開始粉層上、下部分的溫差，在很大程度上減小了翹曲變形的產生。對粉末進行預熱同時有助于消除熱應力，從而提高成型質量。下面是預熱溫度與翹曲變形量關系的試驗。

按中心位置進行定位，放置試件，如圖2是試件在成型缸內的擺放位置。選取不同的預熱溫度（其他的工藝參數按照實際加工經驗選?。?，進行燒結試驗，試件翹曲變形量取上表面一邊對應的高度值與三維立體模型高度值的差值。試驗共做3組，結果取平均值。為了更加直觀明顯地表示，定義翹曲變形率C為平均翹曲變形量σ與三維立體模型高度的比。為了方便起見，該值用百分數表示

試件尺寸為30 mm×30 mm×30 mm的長方體方塊，布置在成型缸中心位置，如圖2所示。

加工參數的選取：選用常用的一組參數（除預熱溫度外），激光功率17.5 W，掃描間距0.15 mm，燒結層厚0.2 mm，掃描速度1 700 mm/s。

根據實際加工經驗，在探索性試驗的基礎上進行定位，確定預熱溫度的取值范圍在115～135℃之間，選取7個值進行分組試驗。各組試驗的預熱時間都為1 h左右，從室溫加熱到預設值。加工完成后對試件進行清理，然后進行測量，測量試件上表面一邊對應的高度值，進行3次測量，取平均值為最終的試驗值。試驗結果列于表1中。

表1 不同預熱溫度下產生的翹曲變形量

下面分析測量結果：根據試驗結果，以預熱溫度為自變量，我們發現隨著預熱溫度的升高，翹曲變形量逐漸減小。在預熱時間為1 h左右時，130℃左右的預熱溫度相對較好。圖3是不同預熱溫度下的試驗樣件。

3.2 工藝支撐的合理添加

制件翹曲變形一般出現在初始加工的面（也就是制件前幾層）和面積突然增大的截面。另外，在燒結新制件時，制件的第1層燒結是在松散的粉末上進行的，粉末之間結合力很小，因此不能提供阻止翹曲變形的力，所以工件的底層很容易產生翹曲變形。為此在工件的底層和面積突然增大的截面構建支撐，即在制件燒結前先燒結出支撐，然后制件的第1層在支撐上燒結成型，這樣就可以有效地降低翹曲的程度。對工藝支撐的合理添加將會很好地控制制件的翹曲變形。

3.3 選取適當的保溫措施

由粘彈性理論可知，聚合物作為一種粘彈性體，具有應力松弛和蠕變兩種顯著的特征。這兩種特征對制件內的應力大小有決定性的影響[8]。應力松弛和蠕變都與聚合物的溫度和作用時間有關。通常在一定的溫度范圍內，溫度升高會加速應力松弛和蠕變的進行。此時制件的收縮率較小，內部應力集中可得到很大程度的緩解，制件的翹曲變形也會相應減小。如果需要在短時間內獲得顯著的松弛效應，就必須使聚合物的溫度控制在一定的溫度以上，通常這個溫度就是該聚合物的玻璃化溫度Tg。所以，燒結層在Tg溫度上保持的時間對于制件的翹曲變形量有至關重要的影響。

在制件燒結完成后，不要把它直接取出，應該在成型缸內保溫一段時間，一般選取1 h左右的時間。還需要控制室內溫度、成型機的散熱和制件的降溫速度。通常在加工結束后，再鋪粉30層左右，避免制件暴露在空氣中降溫。圖4是不同的保溫時間對應的不同的翹曲變形，制件仍然是30 mm×30 mm×30 mm的長方體方塊，布置在成型缸中心位置，如圖2所示。發現保溫時間越長，制件的翹曲變形量越小。

3.4 底層厚度的適當選取

設置底層可以有效地減小制件的翹曲變形，尤其是對于首燒結面積較大的制件效果明顯。設置底層的具體的方法是首先將粉末材料預置在成型缸內。大量的試驗證明底層設置在20～30 mm是比較合適的。

3.5 在裝新粉時采取適當的措施

（1）新粉與舊粉的充分混合。我們發現在換取新粉時往往制件的顏色、尺寸等會受到影響，制件的整體會呈現不同的顏色。這是因為舊粉用過多次，在成型腔內粉末在受到激光的加熱過程中分子粘結力會變化。舊粉和新粉之間的結合力不同，如果不充分混合，會影響到制件的整體尺寸，導致成型精度的降低。

（2）用金屬棒插實供粉腔中的粉末材料。由于SLS粉末材料的粉體形狀都很不規則，這就造成了粉末顆粒間存在有一定的間隙空間。若粉末全為均勻的球體，在壓實狀態下粉末的間隙空間會占總體積的50%左右，只有當粉末全為方體時才可能達到全密度（無間隙空間）。但是在實際中這是不可能的，而由燒結層疊加起來的成型件密度卻高達全密度的95%以上，所以，在SLS燒結過程中，由于密度的增加，制件必然會產生收縮。

為了減小由于密度的增加而使制件產生的收縮，有一種方法就是用金屬棒插實供粉腔內的粉末材料。選取金屬棒的原因，是當用金屬棒插實粉末時，會產生靜電，這些摩擦產生的“靜電”遇到導電的物質（如金屬等）便迅速地消失了，而在絕緣的物體（塑料、化纖、毛織物等）上卻不能消失。

4 結語

（1）在其他參數一定時，預熱溫度對翹曲變形影響顯著。在一定預熱溫度范圍內，翹曲變形量隨著預熱溫度的增加而減小。

（2）保溫對制件的影響也是很大的，選取適當的保溫措施對減小制件的翹曲變形是必不可少的。

（3）在裝新粉時采取適當的措施對制件成型精度的提高也有一定作用。如新粉和舊粉的充分混合，用金屬棒插實供粉腔內的粉末材料。

[1]劉偉軍.快速成型技術及應用[M].北京：機械工業出版社，2005.

[2]汪艷，史玉升，黃樹槐.熱塑性塑料的選域激光燒結成型[J].塑料科技，2003（11）.

[3]李小城，王鵬程，肖軍杰，等.SLS高分子粉末材料的成型工藝參數及質量的比較研究[J].塑料，2007，36（1）.

[4]何平笙.高聚物的力學性能[M].合肥：中國科學技術出版社，1997.

[5]王雅先.激光選區燒結快速成型制件翹曲變形的研究[J].機械與電子，2007（9）.

[6]王軍杰，等.激光快速成形加工中掃描方式與掃描精度的研究與實驗[J].中國機械工程，1997，8（5）.

[7]李湘生.SLS成型機的粉末預熱過程研究[J].武漢：華中科技大學學報，200l（2）.

[8]Yang J.Bin H，Zhang X，et al.Fractal scanning path generation and control system for selective laser sintering（SLS）[J].International Journal of Machine Tools&Manufacture，2003，43（3）.

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Study about The Warping Distortion of Selective Laser Sintering Rapid Prototyping Workpiece

WANG Wei①，WANG Xingliang①，TONG Ming①，YANG Guang②，QIN Lanyun①
（①School of Mechanical and Electrical Engineering，Shenyang Institute of Aeronautical Engineering，Shenyang 110136，CHN；②Shenyang Institute of Aeronautical Engineering，Shenyang 110016，CHN）

Warping distortion of selective laser sintering have a great influence on forming accuracy.Through HRPS-ⅢA form machine on rapid prototyping experiment，the root reason of warping distortion is foumd out.Getting technological parameters of the laser scanning rate，laser power and the powder preheated temperature on the impact law of warping distortion.The paper had made an effective measure of reducing warping distortion.

Selective Laser Sintering；Warping Distortion；Preheated Temperature

王維，男，1957年生，教授、工學博士、博士研究生導師，主要研究方向：激光快速成型，激光再制造技術，復雜曲面數控加工等。

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2009-09-09）

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